Použitie gabionov a matracov v environmentálnom inžinierstve

Zvyšujúce sa estetické a environmentálne požiadavky na konštrukcie vyžadujú od projektantov, aby našli spôsob kombinácie takzvaných živých a neživých materiálov. Začlenenie vegetácie (živých materiálov) použitím techník environmentálneho inžinierstva zlepšuje stabilitu a stálosť povrchu svahov vytvorením koreňového systému, je však nutné, aby neživé materiály zabezpečili dostatočnú pevnosť a odolnosť v počiatočnej fáze realizovania stavby, pretože vegetácia potrebuje na zosilnenie čas.

Pri výbere najvhodnejšieho riešenia treba identifikovať systém, ktorý je schopný poskytnúť požadovanú únosnosť v šmyku a ktorý umožňuje jeho začlenenie do daného prostredia. Výrobky z dvojzákrutovej oceľovej siete preukazujú mimoriadnu schopnosť regenerácie prírodného prostredia, pretože gabiony a matrace naplnené kameňmi, zeminou a koreňmi časom vytvárajú podmienky priaznivé na vývoj zelene. Vegetácia využíva tieto konštrukcie ako úkryt počas počiatočnej fázy rastu, čo umožňuje tomuto spôsobu realizácie poskytnúť adekvátne konštrukčné a hydraulické vlastnosti, aj keď rastliny nie sú úplne vyvinuté. Nedávna štúdia preukázala, že okrem integrácie týchto aspektov znižuje použitie gabionov a matracov Reno aj nepriaznivý vplyv na zmenu klímy. Z hľadiska množstva CO₂ majú totiž nižšiu uhlíkovú stopu ako rovnocenné tradičné technické riešenia. V článku sa uvádzajú realizované technické riešenia a upozorňuje sa na nový návrhový prístup súvisiaci s revitalizáciou vodných tokov a stabilizáciou brehov.

Otázka ochrany brehov vodných tokov v oblasti prirodzených a antropogénne pozmenených tokov bola historicky vždy doménou technických profesií (hydrotechnických, vodohospodárskych a geotechnických), pričom ich cieľom bolo interpretovať štatistické údaje a poskytovať bezpečné a spoľahlivé riešenia daného vrcholu povodňovej udalosti. Nedávno sa však prístup navrhovania zásadne zmenil. V súčasnosti je okrem iného významná a dôležitá otázka životného prostredia a vplyvu navrhovaného riešenia na životné prostredie. Pri ochrane vodných tokov proti erózii sa používajú rôzne techniky – od jednoduchých protieróznych georohoží až po zložitejšie masívne betónové, gabionové alebo mechanicky stabilizované systémy oporných múrov. K správnemu výberu prispieva niekoľko faktorov, ktoré sú priamo závislé od geotechnických, hydraulických a environmentálnych aspektov, od vzťahu k hodnote krajiny a vodných tokov. Dôležité je, aby odborná verejnosť správne pochopila a navrhovala kombináciu živých a neživých materiálov ako jedného celku.
Skutočnou výzvou je spojiť to najlepšie z oboch typov materiálov tak, aby bolo možné predpovedať, ako sa novovytvorené prostredie bude správať a ako časom zlepší stabilitu brehu. Najvhodnejším riešením je stanoviť minimálnu energetickú úroveň, ktorá je všeobecne definovaná ako minimálne množstvo zásahov do životného prostredia, nevyhnutných na vyriešenie problému (AIPIN 1997). Na obr. 1 sa energetická úroveň pohybuje od najnižšej bez zásahu až po najvyššiu, čo môže predstavovať masívnu gravitačnú konštrukciu.

Obr. 1  Koncept minimálnej energetickej úrovne

Uhlíková stopa výrobkov z dvojzákrutovej oceľovej siete verzus tradičné riešenia
Uhlíková stopa je podmnožina ekologickej stopy, teda súčasť vyjadrenia celkového dosahu ľudských činností na životné prostredie. Vo všeobecnosti sa pod uhlíkovou stopou rozumie objem emisií takých plynov, ktoré majú dosah na podnebie zeme, pričom tieto emisie spôsobil človek. Matrace Reno a gabiony sú produkty šetrné k životnému prostrediu. Ich splynutie s prostredím je rýchle a prirodzené, medzery kamennej výplne sa postupne zanesú jemnozrnnou zeminou a podporujú rast vegetácie nevyhnutnej na zachovanie a udržiavanie ekologickej rovnováhy okolitého prostredia. V nedávnej štúdii (APMC 2012) sa použitie gabionov a matracov ukazuje ako ideálne riešenie zníženia emisií vplývajúcich na životné prostredie.

V štúdii sa porovnávali dve realizácie:

• ochrana brehu:

–    použitím matracov Reno s hrúbkou 0,30 m (obr. 2) vyplnených lokálnymi riečnymi okruhliakmi (d = 70 – 100 mm),
–    kamennou nahádzkou s hrúbkou 1 m
(d = 500 – 700 mm),

• oporný múr:

–    gravitačná oporná konštrukcia vysoká 8 m, realizovaná z gabionov (obr. 3),
–    betónová gravitačná konštrukcia (C 35/45), realizovaná in-situ.

Obr. 2  Ochrana brehu analyzovaná pri porovnaní uhlíkovej stopy

Štúdia zohľadňuje celý postup realizácie jednotlivých konštrukcií vrátane výroby základných materiálov, dopravy na stavenisko a postupov inštalácie a potrebných mechanizmov a zariadení.

Výsledné emisné faktory sú vypočítané v tonách CO₂ na štvorcový meter povrchu riešenia (svahu alebo múra). Konštrukcie z produktov z dvojzákrutovej oceľovej siete sú z hľadiska emisií a uhlíkovej stopy citeľne lepšie ako tradičné konštrukcie (obr. 4). Množstvo emisií pri použití matracov Reno na ochranu svahov je 15 t CO₂/m², čo je približ­ne polovičné množstvo oproti 29 t CO₂/m² emisií, ktoré sa uvoľňujú pri klasickom riešení (kamennej nahádzke). Pri použití lokálne dostupnej kamennej výplne matracov (t. j. vzdialenosť do 100 km od staveniska, ktorá je bežná vzhľadom na malé D50) klesne uhlíková stopa, teda množstvo emisií CO₂, na 5,4 t CO₂/m². Pre múry z gabionových košov je charakteristické množstvo emisií 95 t CO₂/m², kým pri betónových múroch je to 665 t CO₂/m². Pri použití miestne dostupnej kamennej výplne klesne uhlíková stopa gabionových konštrukcií na len 58 t CO₂/m².

Obr. 3  Oporné múry analyzované pri porovnaní uhlíkovej stopy

Obr. 4  Uhlíková stopa gabionu v porovnaní s tradičným riešením

Referenčná štúdia – vegetačné gabionové hate
Vybudovanie nového supermarketu v meste Exeter v štáte New Hampshire v USA si vyžiadalo rozšírenie existujúcej obchodnej zóny a zmenu priľahlého vodného toku (Brunet & Shue, 2006). Predchádzajúce pokusy o stabilizáciu tohto potoka sa realizovali pomocou nahádzky v strmších oblastiach. V počiatočných fázach spracovania projektu rozšírenia sa zistilo, že kamenné nahádzky realizované pred ôsmimi rokmi sú porušené. Navrhované zlepšenia majú pomôcť stabilizovať túto časť súčasného toku, zabezpečiť ochranu proti povodniam a vytvoriť prírodnú zelenú plochu v obchodnej zóne. Zvolené riešenie na zmiernenie erózie toku sa skladá z týchto postupov:

• nové usporiadanie existujúceho toku – zní­ži erózie brehov a eliminuje zmeny smeru toku,
• zmiernenie sklonu toku,
• realizácia gabionových hatí na rozptyl energie v miestach výškových zmien toku,
• realizácia žľabu širokého 1,5 až 3 m pri nízkych úrovniach hladiny vody.

Obr. 5  Prierez vegetačnou haťou

Obr. 6  Hať po dokončení stavby

Na konštrukciu hate sa použil systém Terramesh v kombinácii s geomrežami
a gabionovými košmi. Systém Terramesh pred­stavuje lícový gabionový prvok vystužený hori­zontálnym panelom zo šesťuholníkovej dvoj­zákrutovej oceľovej siete. Výrobky (Terramesh a gabion) sú povrchovo upravené Galmacom (zliatina Zn, 5 % Al) a PVC. Geomreže spolupô­sobia s prefabrikovanými prvkami Terramesh na báze trenia v mieste presahu s dĺžkou 3 m. Výhodou je jednoduché spájanie lícových prvkov vystuženej zemnej konštrukcie s gabionovými košmi na vytvorenie monolitickej konštrukcie. Lícové prvky sa upravili do tvaru lichobežníka na zlepšenie podmienok rastu vegetácie. Pri stavbe hate sa medzi vrstvy lícových gabionov vkladali vŕbové odrezky.

Návrh, posúdenie, realizácia
Na hydraulické výpočty sa použil program Macra2 a na posúdenie stability program Macstars spoločnosti Officine Maccaferri. Stavebné práce sa začali na jeseň 2004, v nečinnom vegetačnom období, a dokončili sa na jar 2005. Postup výstavby bol takýto:

• vyhĺbenie na požadovanú úroveň a odstránenie veľkých úlomkov, ktoré by mohli poškodiť geomrežu alebo oceľovú sieť počas zhutňovania;
• zásyp geomreží a oceľovej siete; spoj medzi prvkami Terramesh a geomrežami je vytvorený trením v mieste presahu s dĺžkou 3 m; separačno-filtračná geotextília na rubovej strane zabraňuje vyplavovaniu jemných častíc zeminy;
• prvé dva rady systému Terramesh tvorili štandardné prvky plnené kamenivom bez vegetácie, pretože boli umiestnené pod nízkou hladinou vody;
• horné prvky systému Terramesh sa upravili na lichobežníkový tvar. Živé vŕbové odrezky sa umiestňovali medzi lícové prvky vo vzdialenosti 15 cm od seba. Koše sa vyplnili kameňom a následne ornicou. Množstvo ornice predstavovalo maximálne 30 až 35 % objemu lichobežníkového koša. Ornica mala dve funkcie – vytvoriť vhodnú pôdu na koreňový systém a udržiavať vyššiu vlhkosť v gabionom koši. Odrezky boli dlhé najmenej 1,2 m. Počas prvého roka sa konštrukcia zavlažovala.

Hate veľmi dobre spĺňajú svoju funkciu (obr. 7). Po jednom vegetačnom období bola vegetácia dobre vyvinutá. Všetky konštrukcie boli od inštalácie zaťažené početnými búrkami vrátane 100-ročnej vody. Počas tohto stavu bola celá konštrukcia zaplavená. Po ústupe búrky kontrola konštrukcií aj vegetácie ukázala, že celý systém fungoval podľa návrhu.

Záver
Produkty spoločnosti Maccaferri vyrobené zo šesťhranej dvozákrutovej oceľovej siete, ako sú gabiony a matrace prvýkrát použité pri opevnení brehov rieky v roku 1894 (Casalecchio v Taliansku), sa vďaka svojim prirodzeným vlastnostiam (flexibilita, permeabilita, začlenenie do životného prostredia, jednoduchosť inštalácie) rozšírili najmä vo vodohospodárskych stavbách, keďže ponúkajú technické, ekonomické a estetické alternatívy ku klasickým riešeniam, ako sú kamenná nahádzka alebo betónové steny. Realizované výskumy pletených gabionov a matracov v testoch s mierkou 1 : 1 definujú ich hydraulické vlastnosti, čo umožňuje projektantom navrhnúť bezpečné a spoľahlivé úpravy brehov vodných tokov. V neposlednom rade si gabiony a matrace Reno zvyčajne vyžadujú minimálnu údržbu. Úspešné realizácie výrobkov z dvojzákrutovej oceľovej siete ako inertného materiálu v kombinácii s vegetáciou preukazujú ich vhodnosť pri obnovení prirodzeného ekosystému. Navyše, konštrukcie budované výrobkami z dvojzákrutovej siete sú ekologické, majú nižšiu uhlíkovú stopu ako zodpovedajúce tradičné konštrukcie a minimalizujú škodlivé emisie vplývajúce na životné prostredie.

TEXT: Marco Vicari, Ing. Jozef Sňahničan
FOTO: Officine Maccaferri

Marco Vicari je korporátny špecialista na produkty z dvojzákrutovej siete v spoločnosti Officine Maccaferri v Taliansku.

Jozef Sňahničan je technický riaditeľ v spoločnosti MACCAFERRI CENTRAL EUROPE, s. r. o.

Literatúra
1.    AIPIN: Codice deontologico Associazione Italiana per l’Ingegneria Naturalistica, 1997.
2.    Brunet, G., Shuey, R.: Stream stabilization with vegetated gabion weirs, Land and Water Volume 50, Number 5, 2006.
3.    APMC: Carbon Footprint dei Gabbioni e Materassi Maccaferri e confronto con soluzioni tradizionali (Unpublished), 2012.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.